第8章 压阻式传感器解读
压阻式传感器
4.兵器上的应用
由于固有频率高，动态响应快，体积小等特点，压阻式压力传感器适合测量 枪炮膛内的压力。测量时，传感器安装在枪炮的身管上或装在药筒底部。另 外，压阻式传感器也用来测试武器发射时产生的冲击波。
此外，在石油工业中，硅压阻式压力传感器用来测量油井压力，以便分析油 层情况。压阻式加速度计作为随钻测向测位系统的敏感元件，用于石油勘探 和开发。在机械工业中，可用来测量冷冻机、空调机、空气压缩机、燃气涡 轮发动机等气流流速，监测机器的工作状态。在邮电系统中，用作地面和地 下密封电缆故障点的检测和确定，比机械式传感器精确和节省费用。在航运 上，测量水的流速，以及测量输水管道，天然气管道内的流速等。
利用这种效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力 敏电阻。用压敏电阻制成的器件有两类：一种是利用半导 体材料制成黏贴式的应变片；另一种是在半导体的基片上 用集成电路的工艺制成扩散型压敏电阻，用它作传感器元 件制成的传感器，称为固态压阻式传感器，也叫扩散型压 阻式传感器。
2. 体型半导体电阻应变片
这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线， 最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体 应变片可分为6种。
3. 扩散型压阻式压力传感器
在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅 的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。 硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同，即对不同的晶轴方向其压阻 系数不同。虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多，但是有时 还是不够。因此为了进一步增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装） 薄的硅膜上，让硅膜起一个放大作用。
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
2.3 半导体应变片的优缺点
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供 了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体 积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。
第8章压阻式传感器
如图所示。压阻系数随扩散 杂质浓度的增加而减小；表 面杂质浓度相同时，P型硅的 压阻系数值比N型硅的（绝 对）值高，因此选P型硅有利 于提高敏感元件的灵敏度。
-1 或 44/(10-11 m2N-1)
120
27℃
100
44（P 型 Si） 80
60
40
11（N 型 Si）
20
1018
1019
1020
1021
Ns (cm-3)
P型
N型硅
硅
001
001 110
110
r
此图为灵敏度曲线
本章要求掌握的内容 扩散硅压阻式传感器的基本原理 扩散硅压阻式传感器的灵敏度系数是金属丝应
变片传感器的50～100倍
扩散硅压阻式传感器的特点及应用场合
通常引进一组对称轴，称为晶轴，
用X、Y、Z表示。
x
1 00 z 001
y
010
110 100
111
111
010
x
100
110
00 1
100
对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不 同。各镜面上的原子密度不同，所表现出的性 质也不相同。单晶硅是各向异性材料，取向不 同，则压阻效应不同。硅压阻传感器的芯片， 就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条。 同时利用硅晶体各向异性、腐蚀速率不同的特 性，采用腐蚀工艺来制造硅杯形的压阻芯片。
第8章 压阻式传感器
固体受到力的作用后，其电阻率（或电阻） 就要发生变化，这种现象称为压阻效应。压 阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的一 种测量装置。
分类:
粘贴型压阻式传感器(传感元件是用半导体 材料的体电阻制成的粘贴式应变片)
压阻式压力传感器原理
压阻式压力传感器原理压阻式压力传感器是一种常用的压力测量装置，它利用了压阻效应来实现对压力的测量。
在压阻式压力传感器中，压阻器是起到关键作用的元件，通过对压阻器的变化进行测量，可以得到被测压力的大小。
下面将详细介绍压阻式压力传感器的原理及其工作方式。
首先，我们来了解一下压阻效应。
压阻效应是指在材料受到外力作用时，电阻值发生变化的现象。
在压阻式压力传感器中，通常采用的是压阻薄膜或压阻薄片作为压阻器。
当外界施加压力在压阻器上时，压阻器的电阻值会发生相应的变化。
这种变化可以通过电路进行测量和转换，从而得到压力的大小。
其次，压阻式压力传感器的工作原理是利用了压阻效应的特性。
当压力作用在传感器的敏感元件上时，敏感元件的电阻值会随之改变。
这种电阻值的变化可以通过电路进行检测和测量，从而得到压力的大小。
在实际应用中，通常会将压阻式压力传感器与电桥电路相结合，通过测量电桥的平衡状态来获取压力的数值。
另外，压阻式压力传感器的工作方式可以分为直接式和间接式两种。
直接式压力传感器是指被测压力直接作用在敏感元件上，而间接式压力传感器则是通过液体或气体传递压力到敏感元件上。
不同的工作方式对应着不同的应用场景，用户可以根据实际需求选择合适的工作方式的传感器。
总的来说，压阻式压力传感器利用了压阻效应来实现对压力的测量，其工作原理是通过测量敏感元件电阻值的变化来获取压力数值。
在实际应用中，压阻式压力传感器广泛应用于工业自动化、汽车电子、医疗设备等领域，为各种设备和系统提供了重要的压力测量支持。
通过对压阻式压力传感器的原理及工作方式的深入了解，可以更好地应用和维护这种传感器，为各种应用场景提供准确可靠的压力测量数据。
压阻式压力传感器原理及其应用
压阻式压力传感器原理及其应用
压阻式压力传感器是一种将压力转化为电阻变化的传感器。
它的原理是通过在压力敏
感器中引入一种敏感元件，使得该元件受到外界压力作用的同时，产生一定的电阻变化。
基于该原理，可以利用电路的测量手段来检测并量化外界的压力变化。
压阻式压力传感器对于检测压力变化的应用非常广泛。
例如在液压设备、空气压缩机、汽车发动机和气象设备等领域都有着大量的应用。
压阻式压力传感器的敏感元件通常采用金属或半导体材料。
当外界施加压力时，这些
材料中的电子受到了外界力的牵引，电子与其周围原子发生了位移，从而导致元件内部的
电阻值发生变化。
因此，可以通过测量电阻值的变化来确定外界压力的大小。
利用上述原理，可以设计出各种不同类型的压阻式压力传感器。
例如，利用半导体材
料的薄膜式压力传感器，由于其结构简单、价格便宜、响应速度快等优点，成为了广泛应
用的一种传感器。
此外，压阻式压力传感器还可以根据其输出信号类型分为模拟输出和数字输出。
模拟
输出的压力传感器根据压力变化输出一个模拟电压，这个电压值与压力大小成一定比例关系。
而数字输出的压力传感器则是将变化后的电阻值转化为数字信号输出。
总的来说，压阻式压力传感器是现代工业自动化、环保、气象、医疗等领域不可缺少
的传感器之一。
它可以将外界的压力变化转化为电信号输出，便于不同领域进行数据采集、检测和控制。
压阻式压力传感器工作原理
压阻式压力传感器工作原理
压阻式压力传感器工作原理是基于电阻的变化原理。
传感器内部含有一个薄膜，该薄膜上涂有导电层，形成一个电阻。
当传感器受到外部压力作用时，薄膜会发生微小的弯曲，导致导电层上电阻的改变。
具体来说，当外部压力增加时，薄膜的弯曲程度会增大，导致电阻的值随之增加。
而当外部压力减小时，薄膜会恢复原状，导致电阻的值随之减小。
这种电阻和压力之间的关系可以通过压力传感器的电路进行测量和转换。
一般情况下，压阻式压力传感器会和一个电桥电路结合使用。
电桥电路由四个电阻组成，其中一个电阻为压阻传感器的电阻，另外三个为已知电阻。
当系统施加一个恒定的电压到电桥上时，电桥会输出一个电压信号，该信号的大小与压阻传感器的电阻值相关。
通过测量和分析电桥的输出信号，就可以得到与外部压力关联的电阻值。
进一步，可以经过校准和转换，将电阻值转换为实际的压力数值。
总的来说，压阻式压力传感器通过测量导电层电阻的变化，实现对外部压力的检测和测量。
这种传感器具有结构简单、成本低廉、响应速度快等优点，广泛应用于各种工业领域和仪器设备中。
压阻式传感器
由半导体理论可知，硅和锗的纵向电阻率的相对变化
R
L
LE
πL ——沿晶向L的压阻系数（m2／N）；σ——沿晶向L的应力（N／m2）； E ——半导体材料的弹性模量（N／m2）；ε——轴向应变。
半导体材料的应变灵敏系数
R
KB
R
LE
如半导体硅，πL =（40~80）×10-11 m2／N，E = 1.67×1011N／m2 ，则 KB = 50~100。远比金属应变片灵敏系数 K = 2 大得多。
压力控制电路
须将油压控制在4.0~5.0MPa范围内，对应A1的输出为3.33~4.17V。 A2 、A3为电平比较器，
Uo > 3.33V时， A2输出高电平；
Uo < 3.33V时， A2输出低电平；
Uo < 4.17V时， A3输出高电平；
Uo > 4.17V时， A3输出低电平。 A2 、A3都为高电平时，油压才正常；油压过低时， A2输出低电平， J1改 变状态，报警并 可启动油泵加压； A3输出低电平， J2改变状态，报 警并可停止油泵 加压。
用于制作半导体传感器的半导体材料主要有：硅、锗、 锑化铟、磷化铟、砷化镓等，其中最常用的是硅和锗。
扩散型压阻式传感器一般简称为：压阻传感器、扩散硅。
（2）扩散型压阻式传感器的组成和工作原理
① 组成： 扩散型压阻式传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。核心器件
是一个周边固定支承的硅敏感膜片，即硅压阻芯片，因形状象杯故名硅杯。 上面用扩散掺杂法做成四个相等的硅应变电阻条，经蒸镀金属电极及连线， 接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系统相连 接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。 ② 工作原理：
第8章压阻式传感器
π l = π 11 − 2 (π 11 − π 12 − π 44 ) l12 m 12 + n12 l12 + m 12 n12
2 2 2 2 π t = π 12 + (π 11 − π 12 − π 44 ) l12 l 2 + m12 m2 + n1 n2
(
(
)
)
式中 分别为压阻元件的纵向、 分别为压阻元件的纵向 π11、 π12、 π44——分别为压阻元件的纵向、横向及剪切向压 阻系数，是硅、锗之类半导体材料独立的三个压阻系数。 阻系数，是硅、锗之类半导体材料独立的三个压阻系数。 l1、m1、n1——分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的 分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的 方向余弦； 方向余弦； l 2、m2、n2——分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的 分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的 方向余弦； 方向余弦
式中 压阻元件的电流方向垂直。 压阻元件的电流方向垂直。
∆R = π lσ l + π t σ t + π s σ s R
8.3 压阻系数
当硅晶体的晶轴与立方晶体晶轴有偏离时， 当硅晶体的晶轴与立方晶体晶轴有偏离时，电阻的变化率表示为
∆ R R = π
lσlຫໍສະໝຸດ + πtσ
t
在此情况下， 在此情况下，式中的πl、πt 值可用π11、π12、π44表示为
8.2 晶向的表示方法
（2）法线式
x cos α + y cos β + z cos γ = p − − − − − −(2)
p －－－法线长度 －－－法线长度
cos α , cos β , cos γ －－－法线的方向余弦，也可 －－－法线的方向余弦 法线的方向余弦，
压阻式传感器
称为半导体的压阻效应。前面已有结论：
R 2 E (1 2) E
R 半导体材料则有：（1+2μ）<<πE，即：
R E
R
(2.71)
不同类型的半导体，具有不同的压阻系数；载荷施加的 方向不同，压阻效应大小也不相同。为描述不同方向的压 阻效应，需要了解半导体材料的晶向概念。
单晶硅是目前使用最多的。其晶向如图2.17所示。
1.2 扩散型压阻式传感器
将P型杂质扩散到N型硅底层上，形成一层极薄的导电 P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。 以此为敏感元件制成的传感器称为扩散型压阻式传感器。
1. 工作原理 半导体材料一般是各向异性材料，压阻系数与晶向有
关。当受到任意方向的应力后，扩散型电阻相对变化为：
R R
l l
P型单晶硅，应力沿[111]晶
z [001]
轴，可得最大压阻效应；
N型单晶硅，应力沿[100]方
[111]
向时，可得最大压阻效应。制作
o
应变片时，沿所需的晶轴从硅锭
[010]
y
上切出一小条，作为应变片的电 x [100]
[100]阻材料（敏感来自）。图 2.17 半导体的晶向
2. 结构和主要特性 半导体应变式结构形式也是由敏感栅、基片、覆盖层和
传感器技术及应用
压阻式传感器是基于半导体材料的压阻效应来工作的传 感器。分半导体应变式压阻传感器和扩散型压阻传感器。
1.1 半导体应变式传感器
利用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片（称半导 体应变片），用此制成的传感器称为半导体应变式传感器。
1. 工作原理
由于应力的作用而使半导体材料电阻率发生变化的现象
相等，即 ： RABC RADC 2(R Rt )
压阻式传感器
压阻式传感器
一、 压阻式传感器的工作原理
由前述可知，压阻效应的数学描述可用公式表示如下：
R R
（1-25）
式中，π是压阻系数，是表征固态材料压阻效应的特性参数。不同
材料的压阻系数不同，而且各向异性的同一材料在不同方向其压阻系数
也各不相同，所以有
R R
r r
tt
（1-26）
式中，σr、σt分别为纵向应力和横向应力（切向应力）；πr为纵向
压阻式传感器
图1-16所示为一种用于测量脑压的传感器的结构图。压阻式传 感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和 控制汽车发动机的性能及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵 器方面的测量。
图1-16 脑压传感器结构图
压阻式传感器
1. 扩散型压阻式压力传感器
扩散型压阻式压力传感器属于半导体应变片传感器，它是直 接在硅弹性元件上扩散出敏感栅，而不是用黏结剂将敏感栅粘贴 在弹性元件上。
压阻式传感器
由于闭环压阻式加速度 传感器采用力平衡工作方式 弹性硅梁没有过大的挠度， 因而有利于提高动态频响特 性和改善线性。它还具有自 检功能。闭环压阻式加速度 传感器的特点是精度高，动 态范围大，结构复杂，质量 和尺寸都相对较大，成本也 较高。
图1-18 闭环压阻式加速度传感器结构原理图 1—硅梁组件； 2—力矩器线圈； 3—壳体； 4—下磁路组件； 5—插头座； 6—压阻电桥； 7—力矩器磁钢
图1-17（a）所示为扩散型压阻式压力传感器的结构简图， 其核心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上，利用扩散工艺设置四 个阻值相等的电阻，用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆 环（硅环）固定，如图1-17（b）所示。膜片的两边有两个压力 腔，一个是与被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔，一般 与大气相通。
压阻式压力传感器.pptx
专业
专注
专心
《化工仪表与自动化控制》
——压阻式压力传感器
工作单位：山东轻工职业学院
Hale Waihona Puke 主讲：石飞一、压阻式压力传感器
压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。 采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺， 在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶 硅片置于传感器腔内。 当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变 电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压 输出信号。
一、压阻式压力传感器
精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、 重量轻、结构简单；
便于实现显示数字化；
可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速 度、加速度等参数。
一、压阻式压力传感器
图1 压阻式压力传感器 1—基座；2—单晶硅片；3— 导环；4—螺母；5—密封垫圈；
6—等效电阻
谢谢大家！
第八章 压阻式传感器 - 副本
式中
2 2 2 2 2 2 p t p 12 p 11 p 12 p 44 l1 l2 m1 m2 n1 n2
p11、p12、p44——分别为压阻元件的纵向、横向及剪切向压阻系数，是
硅、锗之类半导体材料独立的三个压阻系数。 l1 、m1 、n1—— 分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦； l 2 、m2 、n2—— 分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的方向余弦；
X
8.6.2
恒流源供电
R -R +RT A I R +R +RT D R -R +RT C Usc U
假设电桥两个支路的电阻相等，即
RABC RADC 2R RT
故有
I ABC I ADC 1 I 2
因此电桥的输出为
B
整理后得
1 1 U SC U BD I (R R RT ) I (R R RT ) R +R +RT 2 2
11Pa，弹性模量E
式中 ky——半导体材料的灵敏系数。
k y pE 50 ~ 100k
结论：半导体材料电阻变化率ΔR/R主要是由Δ/ 引起的，这就是半 导体的压阻效应。 当力作用于硅晶体时，晶格产生变形，载流子的迁移率发生变化， 使硅的电阻率发生变化。
电阻变化率随硅晶体的取向不同而不同，即：硅的压阻效应与晶 体的取向有关。
t
得到
1 R p 44 s r R 2 r
1 R p 44 s R 2 t
r
这种方法设计的电阻相对变化率的数值显然要小于边沿扩散的类型， 大约为1/3左右。 X
设计方案二：
压阻式传感器的检测原理及应用
压阻式传感器的检测原理及应用一、压阻式传感器的工作原理压阻式传感器是一种能够根据外力大小来改变其电阻值的传感器。
其工作原理基于材料的压阻效应，即当外力作用于传感器时，传感器内部的导电材料会发生形变，进而改变其电阻值。
压阻式传感器通常由导电薄膜、电极和基座等组成。
当外力施加在传感器的感应面上时，导电薄膜会发生微小的形变，导致电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以推算出外力的大小。
二、压阻式传感器的特点1. 灵敏度高：压阻式传感器的灵敏度较高，能够检测到微小的压力变化。
2. 响应速度快：由于压阻式传感器的结构简单，响应速度较快。
3. 成本较低：相比其他类型的传感器，压阻式传感器的制造成本较低。
4. 可靠性高：压阻式传感器没有机械零件，因此具有较高的可靠性和耐久性。
三、压阻式传感器的应用1. 触摸屏：压阻式传感器被广泛应用于触摸屏技术中。
在传感器的感应面上布置导电薄膜，当用户用手指或触控笔对触摸屏施加压力时，传感器可以检测到压力的变化，并将其转化为电信号，从而实现触摸操作。
2. 工业自动化：压阻式传感器在工业自动化领域中也有广泛的应用。
例如，用于测量机械设备或生产线上的压力变化，实现对设备运行状态的监测和控制。
3. 医疗器械：压阻式传感器在医疗器械中的应用也很常见。
例如，用于测量血压、呼吸机上的气压变化以及人体接触的力度等。
4. 汽车领域：压阻式传感器在汽车领域中的应用广泛，例如用于测量车轮胎的压力，实现对胎压的监测和报警功能。
5. 体育器材：压阻式传感器也被应用于体育器材中，例如高尔夫球杆上的传感器可以测量球杆与球的接触力度，从而帮助球员改进击球技术。
总结：压阻式传感器是一种能够根据外力大小改变电阻值的传感器。
其工作原理基于材料的压阻效应，通过测量电阻值的变化可以推算出外力的大小。
压阻式传感器具有灵敏度高、响应速度快、成本低和可靠性高等特点。
在触摸屏、工业自动化、医疗器械、汽车领域和体育器材等领域都有广泛的应用。
压阻压力传感器工作原理
压阻压力传感器工作原理好嘞，今天咱们聊聊压阻压力传感器，听起来可能有点高大上，但其实它的工作原理简单得很。
咱得明白，压阻传感器可不是外星科技，而是咱们生活中常见的小玩意儿。
比如你家那种能自动测量轮胎气压的仪器，或者是工业设备里的压力监测，甚至你在医院看到的那些设备，都是靠它来工作的。
想象一下，压阻压力传感器就像一个忠实的小侦探。
它能把压力变化“悄悄地”告诉咱们。
当外部压力增加时，它里面的材料会发生变化，简单说就是变形。
这就像咱们吃了太多东西，肚子撑得鼓鼓的，感觉要爆炸似的。
传感器的材料通常是一些特殊的半导体，像硅这种家伙。
它们可不简单，受压力一挤，电阻就会变化。
你想，电阻就像咱们的心情，有时候高，有时候低，完全看情况。
嘿，咱们这位小侦探可聪明了，压力变化了，它马上就把这个信息转变成电信号，传递给后面的电子设备。
就好比你跟朋友聊天，压力越大，声音就越高。
信号传到显示器上，咱们就能一目了然地看到实时的压力值。
这可比过去那些笨重的仪器方便多了，简直是科技的小奇迹。
这玩意儿可耐高温、高压，像个铁人一样，真是相当给力。
想想，汽车里的气压监测系统，严密得很，不容有失。
你不想开着开着车，突然发现轮胎没气了吧？这时候，压阻传感器就派上用场了。
它能在压力下降的瞬间发出警报，提醒你赶紧去加气，真是贴心小助手。
哦，对了，咱们还得聊聊它的应用，真是五花八门。
医疗领域，它帮助医生监测病人的血压变化；在航空航天中，压阻传感器被用来监测飞行器的外部压力，确保飞行安全；甚至在你的冰箱里，它也能监控制冷剂的压力，保证食物新鲜。
可以说，生活中无处不在的压阻传感器，是个小小的“压力大师”。
说到这，你可能会想，这玩意儿会不会出故障？任何设备都有可能“中招”。
不过，压阻传感器通常比较稳定，故障率低。
如果真的出问题，可能是因为受到了过大的冲击或者长时间使用导致的老化。
所以，定期检查和维护还是很有必要的，毕竟，安全无小事嘛。
有些人可能会好奇，这样的传感器能不能做得更精确？当然可以！科学家们一直在不断研究新材料和新技术，让传感器的精度、响应速度都在提升。
压阻式压力传感器的工作原理
压阻式压力传感器的工作原理压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成。
采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。
当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成正比的变化，再由桥式电路获相应的电压输出信号。
压阻式压力传感器应用压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。
例如，用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。
在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器，其工作温度达500℃以上。
在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05%的配套硅压力传感器。
在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。
单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫，非线性和滞后均为全量程的±0.22%。
在生物医学方面，压阻式传感器也是理想的检测工具。
已制成扩散硅膜薄到10微米，外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。
图3是一种用于测量脑压的传感器的构造图。
压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。
此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。
随着微电子技术和计算机的进一步开展，压阻式传感器的应用还将迅速开展压阻式压力传感器工作原理：当传感器处在压力介质中时，介质压力作用于波纹膜片上，其中的硅油受压，硅油将膜片的压力传感给半导体芯体。
受压后其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。
不锈钢波纹膜片壳体感受压力并保护芯体，因此压阻式压力传感器能在腐蚀性的介质中感应压力信号。
压阻式压力传感器原理及其应用
压阻式压力传感器原理及其应用压阻式压力传感器是一种常用的力与位移测量装置，利用材料的压阻效应来实现压力的测量。
它的原理是通过将存在压力的物体和传感器的敏感元件之间产生机械接触，使得敏感元件受压弯曲，从而改变其电阻值。
压阻式压力传感器的核心技术就是敏感元件的压阻材料。
压阻材料通常是导电材料，如硅、硅胶、塑胶等。
当材料受到外力压缩时，其电阻值会随之改变。
这是因为在压力作用下，材料内部电荷的分布发生变化，导致材料的电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，就可以得知压力的大小。
1.精度高：利用材料的压阻效应来进行压力测量，具有较高的测量精度。
2.反应快：由于无需机械部件的运动，响应时间较短。
3.可靠性高：采用固态结构，不易受到外界振动、冲击的影响。
4.安装简单：可以直接安装在被测压力物体之上，使用方便。
1.工业自动化：用于监测液体和气体的压力，广泛应用于工业自动化系统中。
如压力控制、压力调节、管道检测等。
2.汽车工业：用于汽车制动液和胎压的监测。
通过测量汽车轮胎的压力，可以保证行驶安全。
3.医疗设备：用于测量血压、气体浓度等医疗参数，为医疗设备提供准确的数据支持。
4.污水处理：用于监测和控制污水处理系统中的压力和流量，保证系统的正常运行。
5.空调系统：用于监测空调系统中的制冷介质的压力，以调节和控制空调的制冷效果。
6.水压调节：用于监测水源、供水管道和管网的压力，以保证供水的稳定性。
总结来说，压阻式压力传感器利用材料的压阻效应实现压力测量，具有精度高、反应快、可靠性高和安装简单等特点，广泛应用于工业自动化、汽车工业、医疗设备、污水处理、空调系统和水压调节等领域。
压阻式传感器原理
压阻式传感器原理
压阻式传感器是一种将物理量转换为电阻变化的传感器。
它由弹性层、电阻层和基底层组成。
当物体施加在传感器上的压力变化时，弹性层会产生弯曲变形，进而引起电阻层内阻值的改变。
当外部施加压力时，弹性层会发生变形，使其对电阻层施加应力。
电阻层是由导电材料制成的，应力的改变会导致导电材料的电阻值发生变化。
通常情况下，当传感器受到更大的压力时，导电材料的电阻值会减小，反之则会增加。
为了测量电阻层的电阻值变化，需要将传感器连接到一个电路中，通常是一个电桥电路。
电桥电路会通过测量电阻层两个相对端口之间的电压，来确定电阻层的电阻值。
从而可以将物理量转化为电信号。
压阻式传感器的原理可以用于测量各种物理量，如力、压力、重量等。
通过校准和精确设计，可以实现高精度的测量。
压阻式压力传感器的测量原理
压阻式压力传感器的测量原理
压阻式压力传感器是一种常用的压力测量装置，它的测量原理基于压阻的变化与被测压力的线性关系。
压阻式压力传感器内部包含一个弹性元件，通常为金属或半导体材料制成的薄膜，在测量过程中受到被测介质的压力作用而产生形变。
这些形变会导致弹性元件上的电阻值发生改变，这种电阻变化与被测介质的压力呈线性关系。
具体而言，压阻式压力传感器可以分为金属薄膜和半导体两种类型。
金属薄膜压力传感器的弹性元件通常由金属薄膜制成，如镍、铬、不锈钢等。
在受到压力作用时，金属薄膜会发生一定的形变，从而改变薄膜上的电阻值。
通常，金属薄膜压力传感器采用灵敏电桥电路来检测电阻的变化，并将其转换为电压信号输出。
半导体压力传感器则利用半导体材料在受到压力作用时的
电阻变化。
常用的半导体材料有硅和硼化硅。
半导体压力
传感器内部包含一块敏感区域，当受到压力作用时，敏感
区域的电阻值会发生变化，并以电压信号的形式输出。
无论是金属薄膜压力传感器还是半导体压力传感器，其测
量原理都是利用弹性元件受到压力作用而产生形变，进而
改变电阻值，最终转换为与被测压力成比例的电信号输出。
压阻式压力传感器原理及其应用
压阻式压⼒传感器原理及其应⽤压阻式压⼒传感器利⽤单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。
单晶硅材料在受到⼒的作⽤后，电阻率发⽣变化，通过测量电路就可得到正⽐于⼒变化的电信号输出。
压阻式传感器⽤于压⼒、拉⼒、压⼒差和可以转变为⼒的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制）。
压阻效应当⼒作⽤于硅晶体时，晶体的晶格产⽣变形,使载流⼦从⼀个能⾕向另⼀个能⾕散射,引起载流⼦的迁移率发⽣变化，扰动了载流⼦纵向和横向的平均量，从⽽使硅的电阻率发⽣变化。
这种变化随晶体的取向不同⽽异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。
硅的压阻效应不同于⾦属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压⼒的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于⼏何尺⼨的变化，⽽且前者的灵敏度⽐后者⼤50～100倍。
压阻式压⼒传感器的结构这种传感器采⽤集成⼯艺将电阻条集成在单晶硅膜⽚上,制成硅压阻芯⽚,并将此芯⽚的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。
压阻式压⼒传感器⼜称为固态压⼒传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外⼒，⽽是直接通过硅膜⽚感受被测压⼒的。
硅膜⽚的⼀⾯是与被测压⼒连通的⾼压腔，另⼀⾯是与⼤⽓连通的低压腔。
硅膜⽚⼀般设计成周边固⽀的圆形，直径与厚度⽐约为20～60。
在圆形硅膜⽚(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应⼒区，另两条处于拉应⼒区，相对于膜⽚中⼼对称。
硅柱形敏感元件也是在硅柱⾯某⼀晶⾯的⼀定⽅向上扩散制作电阻条，两条受拉应⼒的电阻条与另两条受压应⼒的电阻条构成全桥。
发展状况1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始⽤硅制造压⼒传感器。
早期的硅压⼒传感器是半导体应变计式的。
后来在N型硅⽚上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯⽚。
此芯⽚仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压⼒的变化。
采⽤这种芯⽚作为敏感元件的传感器称为扩散型压⼒传感器。
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σ32
σ23 σ22
2
σ21
σ11
1
13
14
材料阻值变化
广义：
＝E
•六个独立的应力分量：
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6
•六个独立的电阻率的变化率：
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6
15 令：
例：
z
10
4 1 y -2 -2
z y x
1
1
x
•晶向、晶面、晶 面族分别为：
•晶向、晶面、晶 面族分别为：
1,1,1
2 , 2 ,1
1,1,1 1,1,1
2, 2,1 2, 2,1
11
例： （特殊情况）
z
0,0,1 0,1,0
y
1,0,0
x
对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
（1）体型半导体电阻应变片
1.
2.
结构型式及特点 测量电路
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1. 结构型式及特点
主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多
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体型半导体应变片的结构形式
1-P型单晶硅条 2-内引线 3-焊接电极 4-外引线
Y(2) X(1) Z(3)
7
晶面表示方法
截距式：
z t
x y z 1 r s t
r,s,t－x,y,z轴的截距 r x
p
s
y
法线式：
x cos y cos z cos p
cosα,cosβ,cosγ－法线的方向余弦
法线 长度
8
密勒指数 x
1 1 1 cos : cos : cos : : r s t 1 1 1 取 : : h:k :l 三个没有公 r s t 约数的整数
2 1 3 4 5
27
8 7 6
图中,1—反应气体A入口, 2—分子筛, 3—混合器, 4—加 热器, 5—反应室, 6—基片, 7—阀门, 8—反应气体B入口
2、微细加工技术
微细加工技术是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速 度与掺杂浓度的关系,对硅材料进行精细加工、 制作复杂微小的敏感元件的技术。
28
由于微电子技术的进步，四个应变 电阻的一致性可做的很高，加之计 算机自动补偿技术的进步，目前硅 压阻传感器的零位与灵敏度温度系 数已可达10-5/℃数量级,即在压力传 感器领域已超过的应变式传感器的 水平。
压阻效应
R (1 2 ) R
金属材料 半导体电阻率
半导体材料
26
2 1 5 4
－ 3 ＋
6 7
图中,1—靶,2—阴极,3—直流高压 ,4—阳极,5—基片,6—惰性气体 入口,7—接真空系统。
化学气相淀积（CVD）
化学气相淀积是将有待积淀物质的化合物升华成气体, 与另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态 的淀积物质,淀积在基底上生成薄膜,如图所示。
31 微型硅应变式传感器的一些基本结构
膜片 (a )
悬臂梁 (b )
硬中心 桥 支承膜 (d ) (e)
(c)
图(a)为方形平膜片结构,除用于压力传感器外,亦可用于电容 式传感器。图(b)为悬臂梁结构,可用于加速度传感器。图(c) 为桥式结构,图(d)为支撑膜结构,图(e)为E型膜（硬中心）结 构,这些都是常用于应变式传感器的结构。
21
载流子浓度影响总结
Ns比较大时： a.π受温度影响小
b. Ns↑→ π↓→灵敏度↓
c.高浓度扩散，使p-n结击穿电压↓→绝缘电阻↓→漏电 →漂移→性能不稳定
结论：综合考虑灵敏度和温度误差，根据应
用条件适当选择载流子的浓度。
压阻效应的原因:
应力作用 晶格变形 能带结构变化 载流子浓度和迁移率变化
2 压阻式压力传感器原理和电路 • (1) 体型半导体应变片 • (2) 扩散型压阻式压力传感器 • (3) 测量桥路及温度补偿
24
参考知识： 敏感元件加工技术
1.薄膜技术
薄膜技术是在一定的基底上 , 用真空蒸镀、溅 射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术加工成 零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物 薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、 膜等微型弹性元件 , 也可加工为转换元件 , 有的 可作为绝缘膜 , 有的可用作控制尺寸的牺牲层 , 在传感器的研制中得到了广泛应用。
表面腐蚀加工——牺牲层技术形成硅梁过程
30
Si3 N4 SiO2 N-Si[1 00 ] (a ) PoLy-Si Al (b ) 空气腔
(c)
(d )
利用该工艺制造多晶硅梁的过程： 1）在N型硅（100）基底上淀积一层Si3N4作为多晶硅的 绝缘支撑,并刻出窗口,如图(a)所示。利用局部氧化技术在 窗口处生成一层SiO2作为牺牲层,如图(b)所示； 2 ） 在 SiO2 层 及 余 下 的 Si3N4 上 生 成 一 层 多 晶 硅 膜 （ PoLy-Si) 并刻出微型硅梁 , 如图 (c) 所示。腐蚀掉 SiO2 层形 成空腔 , 即可得到桥式硅梁 , 如图 (d) 所示。另外 , 在腐蚀 SiO2层前先溅铝,刻出铝压焊块,以便引线。
对于恒压源电桥电路，考虑到环境温度变化的 影响，其关系式为：
U R Uo R RT
2. 测量电路
恒压源
U 0 UR /( R Rt )
电桥输出电压与ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影 响。R为应变片阻值， ΔR为应变片阻值变化， ΔRt为环境
温度变化受环境温度引起阻值的变化
密勒指数
密勒指数：截距的倒数化成的三个没有公 约数的整数。(方向余弦比的整数化表示）
y z cos cos cos 1 p p p x y z 1 r s t
9
表示方式
h, k , l
•表示晶向
•表示晶面 •表示晶面族
h, k , l h, k , l
对立方晶体来说，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l) 晶面的法线方 向； {h,k,l}晶面族的晶面都与（h,k,l)晶面平行。
恒流源
U 0 I R
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
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（2） 扩散型压阻式压力传感器
压阻式压力传感器结构简图 1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件， 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜
14 24 34 44 54 64
15 25 35 45 55 65
16 1 26 2 36 3 46 4 56 5 66 6
电阻率的变化与应力分量之间的关系
1 11 2 21 3 31 4 41 5 51 6 61
12 22 32 42 52 62
13 23 33 43 53 63
•杂质浓度Ns↑→ n↑→在应力作用下ρ的变化更小→ △ ρ↓ ↓→△ ρ/ ρ↓
的变化率减小 压阻系数减小
19
2、压阻系数与温度的关系 π
44
Ns小
Ns大
温度T
•温度升高时，压阻系数减小； •表面杂质浓度增加时，温度对压阻系数的影响 变小（下降速度变慢）。
20
解释：
•T↑→载流子获得的动能↑→运动紊乱程度↑ →μ↓→ρ↑→△ ρ/ ρ ↓→ π ↓ •Ns大， μ变化较小→ π变化小 •N型结构腐蚀加工常用化学腐蚀液（湿法）和 离子刻蚀（干法）技术（采用惰性气体）。
2)表面腐蚀加工——牺牲层技术
该工艺的特点是利用称为“牺牲层”的分离层, 形成各种悬式结构。
单晶硅立体结构的腐蚀加工过程
29
(1) 氧化的硅基片 热生成硅氧化膜 单晶硅(10 0) 面 基片 5 4.74 ° (2) 光刻和腐蚀氧化层 光敏胶 (3) 各向异性腐蚀硅 (11 1) 硅平面
(a )
(b )
(c)
1）如图(a)、(b)所示,先在单晶硅的（100）晶面生长一 层氧化层作为光掩膜,并在其上覆盖光刻胶形成图案,再浸 入氢氟酸中,进行氧化层腐蚀； 2）将此片置于各向异性的腐蚀液（如乙二胺＋邻苯二 酚＋水）对晶面进行纵向腐蚀,腐蚀出腔体的界面为（111 ）面,与（100）表面的夹角为54.74°,如图(c)所示。
真空蒸镀
在真空室内,将待蒸发的材 料置于钨丝制成的加热器 上加热,当真空度抽到 0.0133Pa以上时,加大钨丝 的加热电流,使材料融化, 继续加大电流使材料蒸发, 在基底上凝聚成膜。如图 所示。
25
2 1 3
4
图中,1—真空室,2—基底 ,3—钨丝,4—接高真空泵。
溅射
在低真空室中,将待 溅射物制成靶置于 阴极,用高压（通常 在1000V以上）使 气体电离形成等离 子体,等离子中的正 离子以高能量轰击 靶面,使靶材的原子 离开靶面,淀积到阳 极工作台上的基片 上,形成薄膜,如图 所示。
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利用半导体材料的压阻效应和集成电路技术制造的传 感器。 一、压阻效应及压阻系数
压阻效应：在半导体材料上施加作用力，其电阻率发生变化。
压阻式压力传感器
压阻式传感器的特点
4
灵敏度高:硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高50～100倍，故相应的传 分辨率高: 能分辨1mmH2O(9.8Pa)的压力变化。 体积小、重量轻、频率响应高:由于芯体采用集成工艺，又